前沿分析法测定葡萄糖在制备色谱柱上的吸附等温线

陈永涛，丁子元，刘颖慰，徐 进＊

（1. 温州大学 化学与材料工程学院，浙江 温州 325035； 2. 中粮营养健康研究院有限公司，北京 昌平 102209）

前沿分析法测定葡萄糖在制备色谱柱上的吸附等温线

陈永涛1，丁子元2，刘颖慰2，徐 进1＊

（1. 温州大学 化学与材料工程学院，浙江 温州 325035； 2. 中粮营养健康研究院有限公司，北京 昌平 102209）

吸附等温线对模拟移动床色谱操作参数的模拟和优化具有重要的指导意义。以前沿分析法测定 65℃下葡萄糖在离子树脂色谱柱上的吸附等温线，实验结果表明该行为符合anti-langmuir吸附模型。用所求模型参数预测脉冲实验，模拟结果较好，验证了测定的模型参数准确可靠。

吸附等温线；前沿分析法；葡萄糖

随着液相色谱的快速发展，制备液相色谱在工业上的应用也越来越广泛。模拟移动床（Simulation Moving Bed, SMB）色谱技术在制备色谱中是最具代表性的分离技术之一，SMB色谱技术具有连续化操作、生产效率高[1]、循环使用流动相等优点，已得到科研工作者的广泛的关注。目前，SMB色谱拆分技术广泛应用于石油化工、制糖工业以及制药工程[1,2]等行业。SMB在单糖的分离中应用较为广泛，如木糖和阿拉伯糖[3]，其优点是节约流动相和树脂用量。

吸附等温线是 SMB色谱热力学性质的表现形式，吸附等温线主要研究组分在两相间吸附与分配的热力学关系，是研究色谱分离的理论基础，准确测定吸附等温线模型参数是模拟与优化 SMB分离参数的前提。目前测定吸附等温线的方法主要有静态法（Static Methods）、逆向法[4]（Inverse Method）、微扰动法[5,6]（Perturbation Method）及前沿分析法[7,8]（Frontal Analysis）。其中前言分析法测定精度高，无动力学误差，适用于柱效低的色谱柱等优点。目前有文献[9]报道葡萄糖的吸附等温线是在低浓度范围内测定的，并不适用于工业分离高浓度葡萄糖，本研究以前沿分析法测定葡萄糖的吸附等温线，测定的浓度范围上限超过300 g·L-1，达到工业分离果葡糖浆的葡萄糖浓度，并使用anti-Langmuir模型对实验结果进行拟合。后续只需用同样的方法测定果糖的吸附等温线，即可确定果葡糖浆中两种组分的吸附等温线模型参数，为SMB分离果葡糖浆的模拟和优化提供基础参数[10]。

1 实验仪器与试剂

创新通恒 LC3000制备液相色谱仪（北京创新通恒科技有限公司）；Shodex RI-102示差检测器（日本昭和电工科学仪器有限公司）；恒温水浴HHS21-4（上海博讯实业有限公司）；电子天平BSA224S（德国赛多利斯仪器公司）；D-葡萄糖（北京奥博星生物技术有限公司）； Elix Advantage超纯水系统（德国默克密理博公司）。

2 方法和内容

2.1 实验方法

前沿分析法是相对准确、可靠的方法之一[11]。本实验采用阶梯法进行穿透实验，按浓度由低到高的顺序测出一系列样品的突破曲线。用去离子水作为流动相平衡色谱系统，将最低浓度的葡萄糖溶液作为流动相连续进样，直至流出曲线达到稳定的平台并持续一段时间，则该浓度下的突破曲线实验完成，实验结果如图1。更换浓度较高的葡萄糖溶液作为流动相，按上述操作重复实验。

计算固定相平衡吸附量的方程式为：

式中，qj— 第j步组分在固定相中的浓度, g·L-1；

Vc— 色谱柱的柱体积，L；

tD— 系统死时间，min；

tR— 第j步的突破时间，min；

ε — 色谱柱的空隙率。

实验可以测得一系列浓度对应的固定相平衡吸附量，cj对qj作图，即得到吸附等温线。结果见图2。

图1 葡萄糖的突破曲线Fig.1 Experimental breakthrough curves of glucose

方程式（1）的色谱柱空隙率是色谱柱重要的参数之一，测定色谱柱空隙率的方法是用不被固定相吸附的蓝葡聚糖作为示踪剂，测定蓝葡聚糖在色谱柱的保留时间，计算色谱柱的空隙体积，已知色谱柱的柱体积则计算出色谱柱的空隙率。实验结果如图2。

2.2 吸附等温线模型及参数

图3所示，测得的吸附等温线在实验浓度范围内体现出非线性特征，且呈上扬趋势。

图2 葡聚糖在10 mL/min下通过色谱柱的色谱图Fig.2 Chromatogram of dextran through from column at 10 mL/min

为此采用anti-Langmuir模型描述葡萄糖在制备色谱柱上的吸附平衡：

方程式（2）可改写为：

由方程式（3）知，1/qj对1/cj作图，并用最小二乘法拟合，当截距是负值时，吸附模型为anti-Langmuir。通过截距和斜率可求出饱和吸附量qs和吸附平衡常数bi。将所得参数代入式（2）可得anti-Langmuir模型吸附等温线，图5中的对比显示，模型与实验结果吻合良好。

图3 葡萄糖的吸附等温线Fig.3 Adsorption isotherm of glucose

3 结果与讨论

3.1 葡萄糖的吸附等温线

吸附等温线需要在恒温下进行测定，葡萄糖溶液黏度随温度的升高而降低，色谱柱的压降减小，有利于进行实验。但是温度过高会破坏树脂结构，所以实验水浴温度定为65℃；色谱柱规格：∅2.8 cm×100 cm；流量15 mL·min-1。

由公式（1）（3）及图4可以求出吸附等温线参数，饱和吸附量qs=625 g·L-1，吸附平衡常数bs=5.09×10-4L·g-1。

图4 1/q对1/c关系图Fig.4 Plot of 1/q as a function of 1/c

3.2 模型有效性验证

图5对不同流速、浓度、进样量的实验结果与模拟结果进行对比。从图中可以看出，模拟结果与实验流出曲线均达到较好的拟合，流量10 mL·min-1时实验流出曲线略有后移，可能是流动相在进色谱柱前的管路中温度降低，造成色谱柱温度偏低，亨利常数变大。用求解的吸附等温线参数预测脉冲实验流出曲线吻合度较好，验证了使用anti-Langmuir模型的正确性以及参数测定的准确性。

图5 anti-Langmuir模型对不同条件流出曲线的拟合结果Fig.5 Fits to the experimentally measured elution profiles for anti-Langmuir model

图5（a）、（b）、（c）各实验条件如表1。

表1 三组脉冲实验条件Table 1 Three groups of pulse experiment conditions

在制备柱上测定了葡萄糖的吸附等温线，模型是anti-Langmuir，将求解模型参数代入程序预测脉冲实验，模拟结果吻合度较高。为模拟移动床色谱分离果葡糖浆的工艺参数的模拟和优化提供基础参数。

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Adsorption Isotherm Determination of Glucose on Preparative Column by Frontal Analysis

CHEN Yong-tao1, DING Zi-yuan2, LIU Ying-wei2, XV Jin1*

（1. College of Chemistry and Material Engineering, Wenzhou University, Zhejiang Wenzhou 325035, China；2. COFCO Nutrition & Health Research Institute, Beijing 102209, China）

The adsorption isotherms are significant for simulation and optimization of simulated moving bed (SMB) operation parameters. In this paper, the frontal analysis method was used to determine the adsorption isotherm of glucose on the preparative column at 65 ℃. The results show that the adsorption isotherm is anti-Langmuir model. The model parameters were used to predict the pulse experiment, simulated results were better, which revealed that the model parameters were accurate and reliable.

adsorption isotherm; frontal analysis; glucose

O 657.7

A

1671-0460（2016）12-2800-03

2016-11-21

陈永涛（1992-），男，河南信阳人，在读硕士研究生，主要从事模拟移动床色谱分离研究工作。E-mail: chenyt5@163.com。

徐进（1973-），男，副教授，博士，主要从事分离过程和多功能反应器的研究。E-mail：xujin@wzu.edu.cn。